一种光电式多点阵列感知型触觉传感器的制作方法

本实用新型属于触觉传感器技术领域，涉及一种具有多点阵列感知能力的光电式触觉传感器。

背景技术：

机器人对操作对象及操作环境的感知水平决定了机器人完成操作任务的能力及智能化程度。例如，机器人在非结构化环境中完成复杂的抓取和放置任务时，需要对对象的特征进行准确的感知和识别。通常，采用视觉传感器对对象的特征信息进行捕捉。然而，在恶劣环境中，视觉可能会因为灰尘、障碍物、遮挡和光照条件等因素而失效，最终引起任务失败。在这种情况下，触觉感知能力将替代视觉发挥重要的作用。事实上，现在的机器人系统越来越多地配备带有触觉感知能力的智能手爪或机器人手来执行复杂的抓取和装配任务。

根据工作原理，目前提出的触觉传感方案主要包括压阻效应式、光传感式、电容效应式、磁导式、压电式等类型。但是，这些传感器往往技术复杂、制造困难或成本高昂、可靠性低，因此到目前为止，相关成果很少取得商业上的成功。

光电式触觉传感器基于全内反射原理，通常由光源和光电探测器构成。当施加在界面上的压力发生变化时，传感器敏感元件的反射强度和光源频率也会相应发生变化，其具有较高的空间分辨率，较宽的动态响应范围，电磁干扰影响较小，灵活性和便携性好的优点，具有巨大的应用潜力，但目前的光电式触觉存在多力共同作用时，线性度较低；数据实时性差；标定困难；光源容易受外界干扰，性能稳定性不足等缺点。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种新型光电式多点阵列感知型触觉传感器，采用封闭式设计，光源不受外界影响，具有稳定、灵敏、抗干扰性好等优点。

本实用新型采用如下技术方案实现：

一种光电式多点阵列感知型触觉传感器，包括：红外发射管、光敏三极管、支撑架、弹性变形层和电路板；其中：

支撑架上方为弹性变形层，下方为电路板；弹性变形层、支撑架及电路板之间形成一个或多个密封腔体；密封腔体内是一组由红外发射管与光敏三极管组成的基本传感单元，焊接在电路板上表面；电路板构成密封腔体的底面。

进一步地，多组基本传感单元基本传感单元相对于弹性变形层形成阵列式分布。

优选地，多组红外发射管与光敏三极管组成一个光电传感模块，多个光电传感模块阵列式布局，形成光电传感阵列。

进一步地，光电传感阵列驱动与数据采集电路包括依次相连的mcu、光电传感阵列、光电流电压转换模块和ad转换模块，ad转换模块还与mcu相连。

优选地，电路板为配备电阻的电路板。

优选地，支撑架为栅格状。

优选地，支撑架为黑色不透明支撑架。

优选地，支撑架和弹性变形层之间通过粘合剂连接。

优选地，弹性变形层的上下表面设有纹路，纹路为两组条纹组成的网状结构或为网状结构组成的交点形成的网状点。

优选地，弹性变形层上下表面设有凸起网格。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

(1)红外发射管与光敏三极管并行紧密排列，即成对工作；由于红外发射管及光敏三极管构成的基本传感单元彼此隔开且密封在各密封腔体内，不受外界光照条件干扰，具有较强的环境适应性，性能稳定。

(2)多组基本传感单元基本传感单元相对于弹性变形层形成阵列式分布，具有多点阵列感知能力，可覆盖更广的探测范围。

(3)多个光电传感模块阵列式布局，形成光电传感阵列，具有多点多行多列阵列感知能力，可覆盖大面积的探测范围。

(4)本实用新型的光电式多点阵列感知型触觉传感器可以应用于机械手的设计，使机械手系统觉有触觉反馈功能，增加机械手控制系统精度和稳定性。例如，可以将其集成在装配用夹持器的工作面，使夹持器具备对夹持对象形状、姿态、夹紧程度的感知能力，从而辅助完成精细的装配操作(如轴孔配合)。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例中光电式多点阵列感知型触觉传感器的结构示意图；

图2是本实用新型一个实施例中光电传感阵列驱动与数据采集电路示意图；

图3是本实用新型一个实施例中光电传感阵列驱动与电压采集流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本实用新型作进一步详细地描述，但本实用新型的实施方式并不限于此。

一种光电式多点阵列感知型触觉传感器，如图1所示，包括红外发射管1、光敏三极管2、黑色不透明支撑架3、弹性变形层4以及配备电阻的电路板5；其中：

支撑架为栅格状；支撑架上方为弹性变形层，下方为电路板；弹性变形层、支撑架栅格及电路板之间形成密封腔体；密封腔体内是一组由红外发射管与光敏三极管组成的基本传感单元，焊接在电路板上表面；电路板构成密封腔体的底面；

弹性变形层的上下表面设有纹路；

支撑架和弹性变形层之间通过粘合剂连接。

在一个优选的实施例中，包含多个密封腔室，每个密封腔室内含有一组由红外发射管和光敏三极管组成的基本传感单元，可覆盖更广的探测范围。

在一个优选的实施例中，多组红外发射管与光敏三极管组成一个光电传感模块，多个光电传感模块形成阵列式布局，使传感器可覆盖大面积的探测范围。

在一个优选的实施例中，弹性变形层上下表面设有凸起网格6，纹路为两组条纹组成的网状结构，且每组条纹有多条平行条纹。优选地，两组条纹垂直正交。纹路也可以为网状结构组成的交点形成的网状点。

本实用新型光源为相同型号的红外发光二极管(红外发射管的发光体)，多个光源相对于弹性变形层形成阵列式分布，发光二极管通电后，光照亮弹性变形层内侧的纹路；由于支撑架栅格的分隔作用，各光源互相独立，互不影响。

本光电式多点阵列感知型触觉传感器的工作原理为：以红外发光二极管作为光源，发出的光经弹性变形层和腔体四壁反射后被光敏三极管接收，反射光强携带有压力信息，使光敏三极管产生光电流变化，该变化反映了压力的大小；对所有传感单元的光电流进行检测，通过模式识别，可以识别外部施加的压力分布信息。更具体地：

光源发出的光经过弹性变形层反射到达光敏三极管上，弹性变形层反射带有纹路信息的光，被光敏三极管探测，由光敏三极管探测的信息计算弹性变形层形变量。

对光电流的数据采集及解码由微控制单元(mcu)承担。mcu以扫描的方式对光电式多点阵列感知型触觉传感器进行驱动，每次选通(即供电、开启信号采集)一组基本传感单元，mcu读取与对应光敏三极管串联的转换电阻的电压值，该电压值反映了内部检测到的对应光电流的大小，也即反映了外部作用在该局部区域的压力大小。

光电传感阵列可覆盖大面积的探测范围，本实施例中，光电传感阵列驱动与数据采集电路如图2所示，光电传感阵列包含光电传感模块1-4，每个光电传感模块内含2×2基本传感单元，4个光电传感模块共计16个基本传感单元；各光电传感模块输出的光电流转变为电压信号后由ad转换模块进行接收及数值化。

光电传感阵列驱动与电压采集流程如图3所示，使用mcu的数字i/o口，所有传感模块并行工作，但模块内部采用轮询式串行扫描工作模式，即每个时刻各模块内部仅一个基本传感单元被选通，则所有模块形成4路光电流信号，通过同一个ad转换模块进行多通道数据采集与转换；扫描16次后，模块内所有基本传感单元的数据均被收集完毕，至此一个工作循环结束。以上过程不断重复，可使所采集到的力触觉数据保持最新。

本实用新型光电式多点阵列感知型触觉传感器的探测过程包括：使用时，将黑色不透明支撑架、弹性变形层以及配备电阻的电路板连接，用弹性变形层靠近被测物体，当弹性变形层在接触到被测物体后，弹性变形层内侧纹路会发生变形，弹性变形层与红外发射管和光敏三极管组成的传感单元之间的垂直距离也将减小，通过光敏三极管采集纹路变形以及弹性变形层与传感单元之间垂直距离信息，通过接触被测物体前后的图像信息的对比，计算弹性变形层形变量，可以反向估计出被测物体接触部分的三维形状以及在光电式多点阵列感知型触觉传感器上的位置信息。

需要说明的是，弹性变形层的变形量与接触被测物体时产生的压力有直接关系，该关系需标定得到。通过连续监测被测物体在光电式多点阵列感知型触觉传感器上的位置和压力，可检测被测物体的滑动方向和滑觉。

弹性变形层的变形量与压力之间的关系标定方法包括：将光电式多点阵列感知型触觉传感器固定，对其表面施加不同压力，检测弹性变形层的变形量，存储施加的压力和弹性变形层变形量的对应关系。

综上所述，本实用新型红外发射管与光敏三极管并行紧密排列，即成对工作；由于红外发射管及光敏极管构成的基本传感单元彼此隔开且密封在各密封腔体内，不受外界光照条件干扰，具有较强的环境适应性，性能稳定，可以实现接触部分三维形状测量、压力感知、滑觉检测、滑动方向检测等功能。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。